Механическое поведение компонентов бедренной головы в хип-артропластии

Обзор компонентов головы бедренной кости

Компонент бедренной головы образует выпуклую, сферическую подшипниковую поверхность тазобедренного сустава. Он модульно прикреплен к бедренному стеблю через сужение Морзе (обычно коническое соединение), что позволяет хирургам смешивать и сопоставлять размер головы, материал и длину шеи внутриоперационно. Современные бедренные головы варьируются в диаметре от 22 мм до 40 мм или более, с большими головками, предлагающими увеличенный диапазон движения и уменьшенный риск дислокации, но также генерируют более высокий фрикционный крутящий момент на подшипниковой поверхности.

Материалы, используемые обычно

• Сплавы кобальта-хрома (CoCr): Наиболее традиционный металлический подшипник, предлагающий высокую прочность, твердость и усталостную стойкость. Однако подшипники металл-металл не в пользу из-за неблагоприятных местных реакций ткани от износа металла.
• Керамические (алюмина, циркония или композит): Известные исключительной твердостью, устойчивостью к царапинам и низкой скоростью износа. Подшипники керамики на керамике и керамики на полиэтилене производят минимальный мусор, но керамика хрупкая и несет небольшой риск катастрофического перелома.
• Окисленный цирконий (OxiniumTM): Металлический субстрат (циркониевый сплав) с керамикоподобной окисленной поверхностью, сочетающий вязкость металла с износостойкостью керамики. Он менее подвержен хрупкому разрушению, чем полная керамика.
• Высоко сшитый полиэтилен (HXLPE): Используется в основном в качестве ацетабулярного лайнера, но некоторые бедренные головы включают сшитый полиэтилен на металлической подложке — хотя это менее распространено. HXLPE резко снижает износ по сравнению с обычным полиэтиленом.

Супружеские пары и их значение

Выбор материала бедренной головы и его сопряжение с ацетабулярным вкладышем определяет подшипниковую пару. Пары, такие как керамика на керамике, предлагают чрезвычайно низкий износ (0,01 мм3 / год), но требуют точного позиционирования компонентов, чтобы избежать краевой нагрузки. Металл на полиэтилене остается наиболее широко используемой комбинацией во всем мире из-за его прощающего характера и длинного клинического опыта, в то время как керамика на полиэтилене еще больше снижает износ, представляя гладкий, жесткий контрафакт к вкладышу. Каждая пара представляет уникальное механическое поведение при физиологической нагрузке.

Ключевые механические свойства

Следующие свойства имеют решающее значение для производительности компонентов бедренной головы в условиях in vivo:

Сила и усталость Сопротивление

Бешеные головки должны выдерживать статические и циклические нагрузки без выхода или разрыва. Прочность материала количественно определяется прочностью выхода и предельной прочностью на растяжение. Для CoCr прочность на растяжение обычно превышает 800 МПа. Устойчивость к усталости особенно важна, поскольку головка испытывает миллионы циклов нагрузки в год; любой дефект или неровность поверхности могут инициировать трещину, которая распространяется с течением времени. Керамика имеет очень высокую прочность на сжатие, но низкую прочность на растяжение, что делает их восприимчивыми к разрыву, если они подвергаются растягивающим напряжениям (например, от разгрузки по краям или сужения несоответствия).

Носите сопротивление

Ношение является доминирующим долгосрочным режимом отказа в артропластике тазобедренного сустава, особенно для полиэтиленовых вкладышей. Твердость поверхности бедренной головы и отделка непосредственно влияют на скорость износа противоположного подшипника. Более гладкая головка (например, керамика с шероховатостью поверхности < 5 нм) генерирует менее абразивный износ. Более твердые поверхности сопротивляются износу третьего тела из фрагментов костного цемента или металлического мусора. Связь между твердостью и износом описывается законом Аркарда: объем износа обратно пропорционален твердости более мягкой поверхности.

Твердость и сопротивление скрещению

Твердость измеряет устойчивость к вдавливанию и царапинам. Для керамических голов твердость находится в диапазоне 1200-1800 HV (Vickers), по сравнению с ~400 HV для CoCr. Скретчение бедренной головы - будь то во время введения, от частиц третьего тела или от повреждения инструмента - создает аспертизы, которые ускоряют износ полиэтилена. Более твердые поверхности более устойчивы к такому повреждению, сохраняя низкий коэффициент трения с течением времени.

Жесткость и жёсткость перелома

Жесткость указывает на способность материала поглощать энергию до перелома. Металлические бедренные головы чрезвычайно прочны (могут деформироваться пластически до отказа), тогда как керамика имеет низкую прочность (~ 4 МПа √м для глинозема). Это делает керамику уязвимой для катастрофического перелома при воздействии или воздействии высоких напряжений растяжения - редкое, но разрушительное осложнение. Современная композитная керамика (например, глинозем-циркония) улучшает прочность перелома при сохранении низкого износа.

Модуль эластичности и жесткости

Упругий модуль определяет, насколько деформируется голова под нагрузкой. Металлические головки имеют модуль ~210 ГПа (CoCr), в то время как керамика составляет около 350-400 ГПа. Более жесткая головка испытывает менее эластичную деформацию, поддерживая сферичность и уменьшая краевую нагрузку на лайнер. Однако несоответствие в модулях между головой и костным стеблем может влиять на распределение напряжения на сужающемся соединении.

Факторы, влияющие на механическое поведение

Выбор материала и микроструктура

Композиция и обработка материала бедренной головки глубоко влияют на механические характеристики. Например, размер зерна в керамике - в идеале < 2 мкм - увеличивает прочность и уменьшает износ. Металлические сплавы могут быть кованы или литы; кованые CoCr имеют более тонкие зерна и более высокую усталостную прочность, чем литый материал. Поверхностные обработки, такие как нитридинг или DLC (алмазоподобный углерод) покрытия могут дополнительно повысить твердость и износостойкость, хотя адгезия покрытия остается проблемой. Клинически переход от обычного полиэтилена к HXLPE уменьшил износ на 50-80%, и переход от металлических к керамическим головкам показал аналогичные улучшения в износе на полиэтиленовых вкладышах.

Геометрия дизайна: размер головы и смещение

Боковые головы большего диаметра (≥36 мм) предлагают большую дугу артикуляции, улучшая диапазон движения и снижая риск дислокации, что особенно важно для более молодых, более активных пациентов. Однако увеличенный размер головы повышает фрикционный крутящий момент на подшипниковой поверхности и на суженном соединении стеблевой головы. Этому крутящему моменту должен противостоять механизм блокировки стеблевой головы; чрезмерный крутящий момент может привести к коррозии сужения (труннионоз). Следовательно, некоторые хирурги предпочитают 32-мм головы для баланса стабильности и механического износа, в то время как 36-40 мм головы используются с большими ацетабулярными чашками.

Грубость поверхности и смазка

Поверхностная отделка бедренной головы непосредственно влияет на трибологическое поведение. В здоровом суставе смазка жидкостной пленкой отделяет несущие поверхности. Идеальная шероховатость поверхности головы Ra < 0,05 мкм помогает поддерживать эластогидродинамическую смазку. Уплотнение головы - от хирургического повреждения, частиц третьего тела или коррозии - нарушает эту пленку, приводя к режимам смешанной или граничной смазки, где контакт с аспертичностью увеличивает трение и износ. Керамические головы поддерживают более гладкую поверхность с течением времени, чем металлические головы, которые могут развивать царапины и ямы.

Выравнивание и позиционирование имплантатов

Аномальная ориентация ацетабулярной чашки (чрезмерная антеверсия или наклон) приводит к нагрузке края бедренной головы на ободок лайнера. Это создает точечные контактные напряжения, которые могут вызвать керамический перелом, ускоренный износ полиэтилена или металлическое ударение. Аналогичным образом, размещение варуса или вальгуса бедренного стеблей влияет на направление результирующей силы реакции сустава через голову. Нагрузка вне оси также увеличивает момент изгиба на сужении шеи-головы, способствуя коррозии и трению. Оптимальное наклонение чашки между 30–50° и версией между 5–25° сводит к минимуму эти риски.

Уровень активности пациента и индекс массы тела (ИМТ)

Более высокие уровни активности подвергают бедренные головы более частым и тяжелым циклам нагрузки. Марафонные бегуны, молодые рабочие и спортсмены предъявляют требования, выходящие далеко за рамки среднего уровня амбулирования сообщества. Кроме того, повышенный ИМТ увеличивает пиковые совместные силы. Исследование, проведенное Lübbeke et al. (поищите данные) показало, что у пациентов с ИМТ > 30 был в 1,5 раза более высокий риск пересмотра из-за износа или ослабления. Механическое поведение головы должно учитывать эти повышенные нагрузки без усталостного отказа или ускоренного износа.

Механические ошибки и их причины

Компонентное разрушение

Катастрофический перелом бедренной головы является наиболее драматичным механическим сбоем. В металлических головках перелом почти всегда является результатом инициации усталостной трещины при концентрации напряжения - обычно сужающейся кромки или дефекта поверхности. Для керамических голов перелом может возникать остро (например, во время удара или вывиха) или коварно от распространения микротрещины из-за повторяющейся нагрузки на ободок. Частота керамических переломов сообщается на уровне 0,01-0,1% для современных композитов. Факторы риска включают: несоответствие, загрузку края, тяжелое ударение и использование небольших размеров головы с тонкими керамическими оболочками.

Ношение и остеолиз

Трение между бедренной головой и ацетабулярным лайнером вызывает износ обломков, что провоцирует воспалительную реакцию, ведущую к перипротезному остеолизу — рассасыванию костей вокруг имплантата. Механизмы ношения включают абразивный износ (от частиц, встроенных в лайнер), адгезивный износ (перенос материала между поверхностями) и усталостный износ (деламинация полиэтилена). Твердые, гладкие бедренные головы уменьшают абразивный износ. Однако металлические головки могут выделять металлические ионы (кобальт, хром), которые вызывают неблагоприятные местные тканевые реакции (ALTRs) и псевдоопухоли, особенно с металлическими подшипниками. Керамический мусор более инертен, но все же способен вызывать остеолиз, если в достаточном количестве.

Труннионоз (коррозия крана)

Модульная головка-шея сужается переход является общим местом для механической помощи сужается коррозия (MACC). Микродвижение на сужающем интерфейсе нарушает пассивный слой оксида на металлических поверхностях, что приводит к трения коррозии. Полученные продукты - хром ортофосфат, оксиды кобальта и металлический мусор - может мигрировать в несущее пространство и вызвать ускорение износа и локальное повреждение ткани. Факторы, которые увеличивают коррозию сужается включают: больший размер головы (большой крутящий момент), более длинная длина шеи, более грубая сужается отделка, высокие смещенные стебли и смешанные сплавы комбинации (например, Ti стебель с CoCr голова). Керамические головки, из-за их низкого потенциала коррозии, уменьшить trunnionosis, но все еще передавать фрикционные нагрузки.

Вывих и посягательство

Вывих происходит, когда головка бедренной кости выскальзывает из ацетабулярной розетки. В то время как часто функция напряжения мягких тканей, положения компонента и размера головы, механические факторы играют роль. Чрезмерное износ полиэтилена может изменить отношение головки-розетки, уменьшая ограничение и увеличивая риск вывиха. Вмешательство - костяк на кости или имплантат на имплантате контакт - может вытащить голову из чашки; это также создает царапины на голове, которые позже увеличивают износ подшипника.

Достижения в области материаловедения

Керамика четвертого поколения

Современная композитная керамика (например, BIOLOX® delta) сочетает глинозем (~82%) и цирконию (~17%) с добавлением тромбоцитов алюмината стронция для повышения прочности. Прочность разрыва составляет 6-8 МПа √м - почти вдвое больше, чем у чистой глинозема. Эти материалы сопротивляются повреждению при нагрузке на ребра и имеют чрезвычайно низкие показатели износа даже в неблагоприятных условиях. Их широкое распространение снизило частоту перелома керамики до исторических минимумов.

Окисленный цирконий

Окисленный цирконий (Oxinium) представляет собой металлическую подложку с керамической поверхностью циркония толщиной 5 мкм, диффундирующей в нее. Он обеспечивает прочность металлической головки в сочетании с износостойкостью керамики. Клинические исследования сообщают о частоте износа на 50-70% ниже, чем CoCr против обычного полиэтилена. Однако требуется осторожность: если керамическая поверхность повреждена (например, от вывиха или удара), лежащий в основе металл может быть подвержен, увеличивая износ.

Продвинутые металлические сплавы: азот-укрепленная нержавеющая сталь

Азотноукрепленная нержавеющая сталь (например, Biodur® CCM) обеспечивает более высокую коррозионную стойкость и усталостную прочность, чем традиционная CoCr. Она может быть изготовлена с чрезвычайно тонкой отделкой поверхности. Некоторые конструкции используют «жесткую» металло-металлическую артикуляцию, но с контролируемым несоответствием радиуса для уменьшения трения, хотя общее использование сократилось из-за проблем с кобальто-ионом.

Текстурирование поверхности и покрытия

Поверхностная инженерия направлена на улучшение смазки и износостойкости. Наноструктурированные покрытия (например, TiN, TiAlN, DLC) были применены к металлическим головкам для повышения твердости. Однако деламинация остается проблемой при высоких напряжениях сдвига. Гидрофильные обработки поверхности, которые улучшают смачивание, могут улучшить образование текучей пленки и уменьшить трение.

Высокоперекрестносвязанный полиэтилен (HXLPE) для голов

В то время как большинство HXLPE используется для лайнеров, существуют конструкции с двойной подвижностью, где полиэтиленовая головка сочленяется в металлической чашке. Эти головки должны быть механически прочными, чтобы избежать разрушения во время удара. Сшивание уменьшает износ, но также снижает прочность; тщательная термическая обработка (например, последовательное облучение и отжига) уравновешивает эти свойства.

Клинические результаты и долголетие

Данные из национальных совместных реестров (например, Австралийской ортопедической ассоциации National Joint Replacement Registry, Шведского регистра артропластии бедра) предоставляют долгосрочные доказательства исхода для различных материалов головки бедра. Для пациентов старше 65 лет металл-полиэтилен с 32-мм головкой CoCr демонстрирует 10-летнюю выживаемость ~95%. Подшипник керамический-полиэтилен снижает износ и увеличивает выживаемость до 97-98% в 10 лет в центрах большого объема, но с небольшим риском скрипа и перелома. Большие головы (≥ 36 мм) связаны с более низкими показателями дислокации, но более высокими показателями коррозии сужения, поэтому их использование должно быть сбалансировано с активностью пациента и хирургическим подходом.

Факторы, влияющие на долголетие, включают опыт хирурга, позиционирование компонентов, дизайн имплантата и соответствие пациента. Примерно 30% изменений вызваны асептическим ослаблением и износом, 20% - инфекцией, 10% - вывихом и < 5% - переломом или коррозией. Механическое поведение бедренной головы непосредственно влияет на износ, перелом и коррозионные сбои.

Заключение

Механическое поведение компонентов бедренной головы является многогранной областью, где сходятся материаловедение, трибология, проектирование и клинические переменные. Тщательное понимание свойств, таких как прочность, твердость, износостойкость и прочность переломов, наряду с их зависимостью от выбора материала, размера головы, отделки поверхности и активности пациента, позволяет принимать обоснованные решения в дизайне имплантатов и хирургической технике. Недавние достижения в керамике четвертого поколения, окисленном циркониуме и сильно сшитом полиэтилене существенно снизили риски износа и переломов, улучшив выживаемость имплантатов и качество жизни пациентов. Продолжение исследований биоактивных покрытий, альтернативных несущих пар и персонализированных стратегий выравнивания обещает дальнейшее продление срока службы тазобедренной артропластики и удовлетворения потребностей все более молодых и более активных пациентов.

Для дальнейшего чтения: PubMed Central предлагает обширные исследования по трибологии имплантатов; Американская академия ортопедических хирургов предоставляет клинические рекомендации; и Австралийская ортопедическая ассоциация Национальный реестр замены суставов публикует ежегодные отчеты с данными о выживаемости по типу имплантата.